一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统及方法技术方案

本发明专利技术属于生物信号处理领域，公开了一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统及方法，包括生物数据采集模块、信号处理模块、信号提取模块，所述生物数据采集模块连接信号处理模块，所述信号处理模块连接信号提取模块，所述生物数据采集模块用于采集生物样本的图像序列；所述信号处理模块用于处理采集到的生物图像序列；所述信号提取模块提取容积中的神经元信号强度。用户可通过本发明专利技术的系统快速高效采集、识别、提取、分析生物四维时空数据，大大缩短了生物信号处理周期，提高了生物信号处理效率。本发明专利技术灵活运用了多种机器学习算法，设计了一套完整的可靠的部署方案，在降低人工干预成本的同时获得精确度高的样本数据。人工干预成本的同时获得精确度高的样本数据。人工干预成本的同时获得精确度高的样本数据。

【技术实现步骤摘要】
一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统及方法


[0001]本专利技术属于生物信号处理领域，尤其涉及一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统及方法。

技术介绍

[0002]在研究生物体神经
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行为对应关系中，需要采集神经元钙信号，对于采集到的钙信号和行为信号等，通常需要通过肉眼识别关键信息，并结合图像、视频分析软件进一步提取反应生物行为的指标。然而对于较大规模的数据，这样的步骤需要大量重复性的人工标注，并且会面临标注失准，迁移困难，缺少可视化工具等问题。尤其对于四维时空数据的采集，处理和提取，缺少一套完整的解决方案。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的在于提供一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统及方法，以解决上述的技术问题。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术的一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统及方法的具体技术方案如下：一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统，包括生物数据采集模块、信号处理模块、信号提取模块，所示生物数据采集模块连接信号处理模块，所述信号处理模块连接信号提取模块，所述生物数据采集模块用于采集生物样本的图像序列；所述信号处理模块用于处理采集到的生物图像序列；所述信号提取模块提取容积中的神经元信号强度。
[0005]进一步的，所述生物数据采集模块包含照明单元、成像单元、压电驱动单元，所述照明单元和成像单元相互垂直摆放；照明单元搭建在压电驱动单元左右两侧；所述照明单元用于照明样本，激发生物荧光信号；所述成像单元用以探测和记录被照明单元激发出的生物荧光信号，并通过设置相机帧率调整图像拍摄速度；所述压电驱动单元用于调整样本移动的速度和距离。
[0006]进一步的，所述照明单元由激光器和多个光学元件共同组成，用于左右各形成约8微米厚度的光片，通过光学对准调节两束光完全重叠。
[0007]进一步的，所述光学元件包含准直头、振镜、扫描透镜、套管透镜以及照明物镜。
[0008]进一步的，所述成像单元由成像物镜、荧光滤色块、倒置生物显微镜和相机组成。
[0009]进一步的，所述压电驱动单元包含样本夹持装置和压电驱动器piezo，所述压电驱动器piezo用于驱动生物样本在一定的z轴高度范围内往复移动，通过设置piezo频率和z轴的高度调整样本移动的速度和距离。
[0010]进一步的，所述信号处理模块包含容积恢复单元、去噪单元、各向同性恢复单元；所述容积恢复单元通过原始序列拍摄时的起始点，相机帧率，piezo频率，z轴方向的总长，将序列构建成多个容积，第n个容积的时刻表示其时间信息，每个容积由若干张图像叠加
而成，用于表示一个时刻拍摄目标的三维形态，其中第m张图像，在z轴上的高度为；所述去噪单元由一个噪声拟合单元和一个噪声过滤单元构成，用于检测容积中的噪声并滤除，其中噪声的拟合和滤除用一个深度神经网络或noise2noise模型实现，去噪后的容积输入所述各向同性恢复单元；所述各向同性恢复单元由一个深度神经网络构成，用于将z轴方向因分辨率过低造成拉伸变形的神经元恢复为标准的形态。
[0011]进一步的，所述信号提取模块包含交互式标记单元、神经元三维追踪单元、灰度检测单元；所述交互式标记单元包含一个能够交互容积信息的客户端和标记工具；交互的功能包含：拖动，放大，缩小，播放，暂停,坐标更新；标记内容包含区域标记和点标记，由多边形框和点来表示；所述神经元三维追踪单元包含一个预训练的SiamRPN网络用于目标检测和一个三维高分辨网络用于关键点追踪，所述三维高分辨网络是一般高分辨网络在处理三维数据的拓展，其中的卷积单元、batch
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normalization和融合单元都做了三维的拓展，用于处理输入的三维数据，识别三维数据中的关键点信息；所述灰度检测单元根据神经元位置信息，提取出神经元信号的灰度值，形成灰度变化曲线。
[0012]一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的方法，包括以下步骤：步骤一：数据采集，数据采集模块利用所述照明单元形成8微米厚度的光片照明样本，激发荧光信号，并利用压电驱动单元带动样本在设定的高度范围内快速往复移动，随后利用成像单元探测并实时记录拍摄到的图像序列；步骤二：信号处理，信号处理模块读取拍摄到的图像序列，利用容积恢复单元将图像序列构建成容积，随后利用去噪单元检测容积中的噪声，进行提取和滤除，提高容积的信噪比，随后利用各向同性恢复单元将容积中分辨率较低的平面进行恢复，保证各个平面中神经元的形态完整、相似、符合实际；步骤三：灰度提取，实验员利用交互式标记单元手动标记出需要追踪的大致区域，再利用神经元三维追踪单元中的SiamRPN网络做关键区域追踪，在自动区域的结果中利用交互式标记单元进行待追踪神经元的标记，标记的容积数目约为总容积数目的5%
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10%，再通过神经元三维追踪单元进行神经元的关键点追踪，实验员在验证神经元追踪位置结果无误后，利用灰度检测单元提取神经元灰度值并生成灰度曲线。
[0013]进一步地，所述步骤一包括如下具体步骤：左侧光路由激光器发出488nm的激光，光线依次通过准直头、xy振镜和z振镜、扫描透镜、套管透镜和4倍的照明物镜，以上光学器件按照光学原理合理摆放，以保证光线始终水平，右侧光路与左侧光路相同，通过光学元件调整两侧光路完全对齐，当xy振镜高速扫描，z振镜保持不动时，形成厚度约为8微米的光片，此时样本被光片照射，生物荧光信号被激发，被激发出来的荧光信号经过成像单元的4倍成像物镜和荧光滤色块，最终被相机探测记录，通过设置曝光时间调整相机帧率，即图像采集速度，曝光时间和图像采集速度成反比，曝光时间越长，图像采集速度越慢，信号强度越高，反之，曝光时间越短，图像采集速度越快，信号强度越低，根据信号质量选择合适的曝光时间，样本被固定在样本夹持装置上与压电驱动器piezo相连，设置piezo的频率和z轴的移动高度，使piezo带动样本在z轴的高度范围内往复移动，从而获取样本的三维成像信息。
[0014]本专利技术的一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统及方法具有以下优点：用户可通过本专利技术的系统快速高效采集、识别、提取、分析生物四维时空数据，大大缩短
了生物信号处理周期，提高了生物信号处理效率。本专利技术灵活运用了多种机器学习算法，设计了一套完整的可靠的部署方案，在降低人工干预成本的同时获得精确度高的样本数据。
附图说明
[0015]图1是本专利技术四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统架构图；图2是本专利技术生物数据采集模块结构示意图；图3是本专利技术信号处理模块流程图；图4是本专利技术信号提取模块流程图；图5是本专利技术双侧光照明示意图；图6是本专利技术神经元自动检测追踪流程图；图7是本专利技术四维时空数据中神经元信号恢复和提取的方法流程图。
具体实施方式
[0016]为了更好地了解本专利技术的目的、结构及功能，下面结合附图，对本专利技术一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统及方法做进一步详细的描述。
[0017]如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统，其特征在于，包括生物数据采集模块、信号处理模块、信号提取模块，所述生物数据采集模块连接信号处理模块，所述信号处理模块连接信号提取模块，所述生物数据采集模块用于采集生物样本的图像序列；所述信号处理模块用于处理采集到的生物图像序列；所述信号提取模块提取容积中的神经元信号强度。2.根据权利要求1所述的四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统，其特征在于，所述生物数据采集模块包含照明单元、成像单元、压电驱动单元，所述照明单元和成像单元相互垂直摆放；照明单元搭建在压电驱动单元左右两侧；所述照明单元用于照明样本，激发生物荧光信号；所述成像单元用以探测和记录被照明单元激发出的生物荧光信号，并通过设置相机帧率调整图像拍摄速度；所述压电驱动单元用于调整样本移动的速度和距离。3.根据权利要求2所述的四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统，其特征在于，所述照明单元由激光器和多个光学元件共同组成，用于左右各形成约8微米厚度的光片，通过光学对准调节两束光完全重叠。4.根据权利要求3所述的四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统，其特征在于，所述光学元件包含准直头、振镜、扫描透镜、套管透镜以及照明物镜。5.根据权利要求2所述的四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统，其特征在于，所述成像单元由成像物镜、荧光滤色块、倒置生物显微镜和相机组成。6.根据权利要求2所述的四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统，其特征在于，所述压电驱动单元包含样本夹持装置和压电驱动器piezo，所述压电驱动器piezo用于驱动生物样本在一定的z轴高度范围内往复移动，通过设置piezo频率和z轴的高度调整样本移动的速度和距离。7.根据权利要求1所述的四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统，其特征在于，所述信号处理模块包含容积恢复单元、去噪单元、各向同性恢复单元；所述容积恢复单元通过原始序列拍摄时的起始点，相机帧率，piezo频率，z轴方向的总长，将序列构建成多个容积，第n个容积的时刻表示其时间信息，每个容积由若干张图像叠加而成，用于表示一个时刻拍摄目标的三维形态，其中第m张图像，在z轴上的高度为；所述去噪单元由一个噪声拟合单元和一个噪声过滤单元构成，用于检测容积中的噪声并滤除，其中噪声的拟合和滤除用一个深度神经网络或noise2noise模型实现，去噪后的容积输入所述各向同性恢复单元；所述各向同性恢复单元由一个深度神经网络构成，用于将z轴方向因分辨率过低造成拉伸变形的神经元恢复为标准的形态。8.根据权利要求1所述的四维时空数据中神经元信号恢复和提取的系统，其特征在于，所述信号提取模块包含交互式标记单元、神经元三维追踪单元、灰度检测单元；所述交互式标记单元包含一个能够交互容积信息的客户端和标记工具；交互的功能包含：拖动，放大，缩小，播放，暂停,坐标更新；...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚哲峰，刘子奥，孙艺璇，黄泽楠，郑能干，陈俊君，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：